基于“螺旋式”上升模式的教学设计
基于“螺旋式”上升模式的教学设计
——以“氧化还原”教学为例
南洋中学 刘枫
布鲁纳在《教学过程》中指出，螺旋式课程就是以儿童思维方式相符的形式将学科结构置于课程的中心地位，随着学生年级的提升，不断拓广加深学科的基本结构，使之在课程中呈现螺旋式上升的态势。螺旋式的推进同一个知识点体现了对于不同阶段的学生的不同要求，也反映了以学生为本的教学理念，让课程在满足不同发展发向的学生的基础性和选择性要求上的差异。
氧化还原是高中化学基本理论中非常重要的一部分，它贯穿于高中化学教材的始终，是中学化学教学的重点和难点之一。通过氧化还原理论的学习，要求学生建立起认识物质性质和物质分类的新视角。学习氧化还原的有关概念之后，学生要达到能够主动分析某物质是否具有氧化性或还原性。面对一种新物质，学生应该能够从所含元素的化合价变化角度预测物质是否具有氧化性或还原性。学习了氧化还原反应之后, 要使学生建立对化学反应分类的新视角，学生认识到化学反应有存在电子转移和不存在电子转移之分，即让学生建立起原子在重新组合过程中是否发生电子转移这一认识视角，发展学生对化学反应的微观认识，建立起对化学反应分类的更本质的角度。此外，通过氧化还原反应应用价值的分析，让学生初步构建化学反应利用的基本角度，如制备新物质，从是否改变元素价态的角度分析物质的转化；如实现能量转变，通过氧化还原反应实现化学能和电能之间的相互转化，从而为人类提供能量等。学习氧化还原反应之后，学生若面对一个较为复杂的氧化还原体系，比如同时存在多个氧化剂或多个还原剂时，如何判断反应发生的先后顺序，建立在氧化还原反应过程中电子得失的守恒思想，从而进行判断和有关计算。从以上分析中不难看出氧化还原这一部分具有内容繁多、概念相近、应用性强、拓展度深的特点，这些特点决定了在教学过程中，教师必须制定合适的教学目标，采取适当的教学方法，分级分层、循序渐进的进行教学，而不能简单地沿用“一步到位”传统做法，依据学生的知识基础和认知规律进行精致的教学设计，有效提高课堂教学效益。
高一学生在学习氧化还原反应之前，在初中己经简单学习过该内容，学生基本上停留在“得氧失氧”的角度上来认识氧化还原反应，尚未形成理论。而高中阶段的氧化还原反应学习更加注重学生理性思维能力的培养，更加关注对氧化还原反应本质的认识和应用。如果只是单纯要求学生记忆概念或是背诵口诀，学生缺乏概念的形成过程，更何谈发展学生的思维呢？高中所讲的氧化还原反应更加关注氧化还原反应本质——电子的转移，这是教学的重点和难点，如何突破教学难点、帮助学生掌握重点是这个阶段氧化还原反应教学的关键。在具体教学中，可以从学生熟悉的反应：CuO＋H2→Cu＋H2O、CO + CuO →CO2+ Cu入手，提出设问“如果某些化学反应中没有得氧和失氧，那么就一定不是氧化还原反应了吗？”引起学生的质疑和思考，然后分析氯气和金属钠反应与氯气和氢气反应的化学方程式，从原子结构出发，分析微观的电子得失或电子共用的过程，从而得出两者的共性既电子的转移。再次回到氢气和氧化铜的反应，请同学用电子得失的角度解释说明该反应的微观过程，最后得出氧化还原反应的本质。
概念的重建不是对原有概念的转换或取代，而是新经验对旧经验的改造，因此选择学生熟悉的化学反应，把学生置于疑问中，较快激发认知冲突。学生对概念的掌握不是一次就能完成，需要具体到抽象、抽象到具体，反复多次。因此教师可以充分挖掘教材内容或图片。概念是对事物本质的特征反映，如果只是记忆概念，不能通过积极的思维活动进行概念演绎， 其实也说明没能真正掌握概念的本质。所以再次要求学生用原子结构示意图分析氢气和氧化铜的反应。 这个问题激发学生再次积极思考。最后学生认识到电子得失表现出化合价的变化，因此用化合价是否变化作为判断方法，促进了学生对氧化还原反应的本质的掌握。
氧化还原章节的第二个难点是利用得失电子守恒进行方程式的配平，一般在教学过程中，教师是在讲完氧化还原反应的基本概念后直接开始讲方程式的配平，这样一种处理教材的方法起点高、难度集中，会使高一学生对化学的学习失去信心，给高中化学教学增加了一定的难度。若在教学中通过卤族元素和氮族元素的学习后、学生已经能熟练掌握判断反应中得失电子的过程及元素化合价的升降、并能熟练的找出反应的氧化剂和还原剂，对氧化还原反应的实质有了较深层次的理解，再学习氧化还原反应方程式的配平，很自然地分解了难点,给学生减轻了负担，给教学带来了方便。在具体教学中先对氧化还原基础知识进行复习,使学生进一步明确氧化还原反应的本质和氧化剂、还原剂在反应中作用。接着加强对氧化还原反应物质变化的分析，即“单线桥和双线桥” 的应用，同时明确还原剂或氧化剂所提供或接受的电子数必须相等。然后再根据电子的转移或电子对的偏移进行氧化还原反应方程式的配平教学。需要强调的，对于氧化还原反应概念的复习不能仅仅停留在概念的复现上，而应该着眼于对于概念的真正理解，那如何才是真正的理解呢？请看例题： “请将5种物质：N2O、FeSO4、Fe(NO3)3、HNO3和Fe2(SO4)3分别填入下面对应的横线上，组成一个氧化还原反应的化学方程式：________＋________→________＋________＋_______＋H2O”，这道试题题干部分非常简洁，但对于学生来说，如果要解决这个问题，必须综合应用元素守恒，化合物内元素化合价的计算，根据化合价的升降找出氧化剂和还原剂以及氧化产物和还原产物，最后合成一个完整的化学方程式。所以在第二次呈现氧化还原的概念时，不应该是平铺直叙的，应该注重概念的应用，通过设置新的情境，检查或巩固学生的已有知识，为新知识的学习做好准备。
学生第三次接触氧化还原是在能量转化的章节，化学能和电能的转化应该是氧化还原反应的应用过程，教师在授课的过程中一般都会强调能量的转化形式，但对于学生来说这种能量的转化是无形的，看不见摸不着，非常抽象，此时教师就应该着眼于概念的生成过程，将无形的“化学能”转化为有形的现象，让学生切身感受到能量的转化，只有这样，学生才能真正理解原电池和氧化还原反应的关系。在具体的教学实践中可以借助于实验，例如请同学自行构造水果电池；演示实验：铁棒和硫酸反应过程中滴加硫酸铜溶液，产生氢气的速度加快；演示实验：铜片、铁片、铜片和铁片以导线相连，分别插入硫酸铜溶液中；演示实验：铜片、灵敏电流计、铁片和稀硫酸构成闭合回路等等实验。这些实验目的就是将无形的电子转移转化为有形的实验现象，从而引发同学的思考，将氧化还原反应原理的应用引向深入。
进入高三选修阶段后，氧化还原再次进入学生的视野，此时氧化还原原理以金属的腐蚀与保护为主题呈现在学生面前。笔者在教学实践中发现，电化学及金属电化学腐蚀等学习内容对学生来说具有一定的挑战性。许多学生由于学得机械僵化，对“氧化还原反应—电化学—金属的电化学腐蚀”这些内容的认识处于割裂状态，缺乏系统整合，难以领悟到电化学及金属电化学腐蚀的本质原理都是氧化还原反应。学生在以前的学习中对于金属、合金以及金属化学腐蚀和电化学腐蚀的原因、危害及防护问题等有初步的了解，但对于电化学保护法还没有认识。学生在学习中可能出现的困难有以下三方面:
①学生刚刚学习完电化学知识，对原电池和电解池的知识容易混淆。比如原电池电极名称是正、负极，电解池的电极名称是阴、阳极；原电池的负极和电解池的阳极失电子等问题。学生对这些问题还达不到牢固掌握的程度，因此应用电化学原理解决实际问题时，还需教师设置台阶。②“牺牲阳极的阴极保护法”这个名称中的“阳极”容易给学生造成概念混淆，学生很容易误解为电解中的“阳极”，其实它应用的是原电池原理，需要教师解释、明晰。③学生缺乏将理论知识应用于实践的能力，当遇到实验的意外情况或时新的情景时，往往无法判断出是否属于电化学，在遇到问题时抓不住主要矛盾进行分析预测，并且不会用化学语言进行表达。面对这些学习的困境，教师应该想法设法帮助将陌生的情景引入学生熟悉的内容中，通过实验-探究来达成教学目标。在具体教学实践中可以设计如下实验：
实验一：金属腐蚀的条件（按下图）
首先比较五支试管中铁钉腐蚀程度的大小，然后请同学归纳影响钢铁腐蚀的因素有哪些？满足了这些条件的铁钉为什么容易被腐蚀？从实验现象中学生较易得出影响钢铁腐蚀的因素有氧气、水分、电解质、铁钉的成分等。但对满足这些条件的铁钉为什么容易被腐蚀不够清晰。接着教师可以将同学的视线引向5号试管，先分析铁钉的成分，得出普通的钢铁一般都是合金的结论，然后将5号试管中的反应转变实验二：一个铁片、石墨和稀醋酸构成的原电池，请同学分析两者的相似之处，从而使同学理清其中的因果关系，明确其中的本质就是氧化还原反应。对于4号试管中的反应，实质是吸氧腐蚀，但学生觉得空气中的二氧化碳溶解在水中，金属应发生析氢腐蚀（同5号试管），针对这种情况，也可以借助实验来解决。实验三：连接盛有铁粉和碳粉混合物的潮湿密闭大试管的U形管中红墨水右低左高现象，说明空气中的某种成分被消耗了。实验四：借助DIS的氧气传感器或压强传感器探测盛有铁粉和碳粉混合物的潮湿密闭大试管中氧气的含量或压强的变化，也能得出相应的结论。这一系列实验，现象直观明了，有助于学生把握金属腐蚀的本质，理解其中的化学原理，教师适时总结归纳，学生对于其中蕴含的氧化还原反应的本质自然得到破解。
通过以上的一系列实践，笔者认为在实际教学中真正实现“螺旋式上升”，关键是要处理好以下几个方面：
一是合理设计教学目标，对教学内容合理取舍，根据学生的实际情况因材施教。教师首先必须熟悉教学基本要求，明确同一板块内容在不同年级的要求有何差异，教学目标的具体指标是什么。同时充分了解学生的实际情况，根据学生的已有知识和认知识规律量体裁衣，合理取舍教学内容，以利于学生的学习，提高课堂教学的效果。
二是认真研读教材，准确把握教材的意图。 “螺旋”体现在学习主题相同而学习内容的深度、广度上存在着不同，“上升”则体现在层次的提升以及课程内容的深度和广度的适度。只有在宏观上领会教材编写上的“螺旋式上升”才能形成对高中化学三年内容的整体性把握。同时，教师也应加强对高考试题的研究，从试题中去揣摩考试对学生的能力要求所达到的高度，以命题导向和考试要求来指导平时的教学。
参考文献
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2. 杭伟华，基于教材“螺旋式上升”编写理念的教学设计研究——以“原电池”教学为例[J]. 化学教学，2015（12）29-33
3. 何彩霞，莘赞梅，围绕化学概念本质的理解设计实验活动——以《金属的电化学腐蚀和 教学为例[J].教学仪器与实验，2011（5）6-8
4. 曹丽敏，将 “质疑、探究、生成”落实到教学中 ——“金属的电化学腐蚀”教学设计案例，化学教育，2012（1）16-18
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